(1 大連大學建筑工程學院 大連116622； 2 大連理工大學土木工程學院 大連116024； 3 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院 西安710049)

隨著科技的進步及人們對生活品質(zhì)要求的提高，人們對建筑室內(nèi)的空氣品質(zhì)及舒適度也有了更高的要求。頂板輻射供冷系統(tǒng)通入冷水后很快降溫形成輻射面，通過輻射與圍護結(jié)構(gòu)進行換熱實現(xiàn)降溫，在實現(xiàn)較高的舒適性要求的同時還可以節(jié)約能源，但由于表面易結(jié)露結(jié)霜等原因，其供冷能力有限，且不能滿足室內(nèi)新風要求[1]?；旌贤L系統(tǒng)是一種將送風口設(shè)置在工作區(qū)上方頂板處的一種上送風方式，通入的新風可以承擔內(nèi)全部濕負荷[2]。因此，將混合通風系統(tǒng)與頂板輻射供冷系統(tǒng)結(jié)合起來組成了典型輻射空調(diào)系統(tǒng)。頂板輻射供冷系統(tǒng)主要通過降溫維持室內(nèi)溫度，而混合通風系統(tǒng)主要負責除濕及維持室內(nèi)空氣質(zhì)量[3]。此外，混合通風還能提高頂板輻射供冷表面對流換熱及供冷量[4]。

國內(nèi)外部分學者對頂板輻射供冷與混合通風房間室內(nèi)空氣分布特性進行了相關(guān)研究。黃翔[5]采用計算流體力學(CFD)方法對頂板輻射供冷不同送風方式下的室內(nèi)空氣品質(zhì)進行研究，結(jié)果表明采用混合通風-頂板輻射供冷系統(tǒng)時能更有效地排除污染物，并使室內(nèi)污染物分布更加均勻。P. Mustakallio等[6]對冷卻頂板-混合通風空調(diào)系統(tǒng)進行了實驗研究，結(jié)果表明冷卻頂板-混合通風系統(tǒng)能更有效地覆蓋人工環(huán)境室內(nèi)熱負荷的中心位置。S. P. Corgnati等[7]對比分析了單獨使用混合通風空調(diào)系統(tǒng)和使用頂板輻射-混合通風空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明頂板輻射-混合通風空調(diào)系統(tǒng)可以有效地解決全空氣系統(tǒng)不能維持室內(nèi)熱舒適性的問題。O. Kanzanci等[8]通過實驗的方法研究了頂板輻射+混合通風空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境，結(jié)果表明室內(nèi)舒適度良好。C. Teodosiu等[9]基于CFD技術(shù)，對有混合通風-頂板輻射供冷系統(tǒng)的建筑物的熱舒適性和冷凝風險進行研究，結(jié)論顯示當在房間內(nèi)供應(yīng)干燥涼爽空氣時，混合通風-頂板輻射供冷系統(tǒng)無論是在熱舒適性還是在冷凝風險方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)。P. Mustakallio等[10]基于人體模型的等效溫度，通過使用兩種熱人體模型對頂板輻射-混合通風空調(diào)系統(tǒng)(CCMV)進行研究，結(jié)果表明與其他系統(tǒng)相比，CCMV提供了更加均勻的熱環(huán)境。M. Behne[11]的研究表明，當頂板輻射供冷用于去除顯熱冷負荷的主要部分時，置換通風在空氣質(zhì)量方面的優(yōu)勢可能會消失，因此頂板輻射供冷與混合送風系統(tǒng)的組合可能更合適。

目前，國內(nèi)外部分學者研究頂板輻射供冷與混合通風房間內(nèi)空氣分布特性時均忽略了外圍護結(jié)構(gòu)傳熱的影響，而外圍護結(jié)構(gòu)傳熱對空調(diào)房間內(nèi)空氣分布具有一定影響[12]，尤其對于輻射空調(diào)房間，外圍護結(jié)構(gòu)傳熱對室內(nèi)熱舒適度的影響不可忽略[13]。因此，本文在人工環(huán)境室中設(shè)置電熱膜模擬外圍護結(jié)構(gòu)傳熱，實驗研究典型輻射空調(diào)(頂板輻射供冷+混合通風)房間室內(nèi)空氣分布特性，研究結(jié)果為輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計及運行控制提供指導(dǎo)。

1 室內(nèi)空氣分布的實驗方法

1.1 人工環(huán)境室及測試系統(tǒng)

人工環(huán)境室的長、寬、高分別為3.7、2.8、2.6 m，如圖1所示。三面墻壁由75 mm厚帶有中心夾層為保溫發(fā)泡材料的彩鋼復(fù)合板構(gòu)成，其中一面墻壁上開有1.2 m×1.2 m的雙層塑鋼玻璃窗戶；另一面墻壁和門窗由雙層塑鋼玻璃構(gòu)成，塑鋼玻璃表面貼了一層厚度為6 mm的保溫材料。將功率為1 500 W的電熱膜均勻鋪設(shè)在整面外墻上來模擬外圍護結(jié)構(gòu)傳熱，電熱膜的整體尺寸約為2.6 m×2.8 m，電熱膜表面貼有9 mm厚的石膏板以使表面溫度更加穩(wěn)定，其功率變化范圍為0～1 500 W。室內(nèi)熱源包括散熱假人、電腦及燈等。兩個假人用尺寸為400 mm×250 mm×1 200 mm(L×W×H)的鐵箱子模擬，假人內(nèi)部裝有3個60 W的白熾燈泡，其功率調(diào)節(jié)范圍為0～180 W。電腦用兩個尺寸為400 mm×400 mm×400 mm(L×W×H)的鐵箱子模擬，電腦內(nèi)放置了兩個100 W的燈泡，其功率可以在0～200 W間調(diào)節(jié)。在吊頂裝有兩個功率為72 W的節(jié)能燈。

實驗的測試系統(tǒng)由頂板輻射供冷系統(tǒng)和混合送風系統(tǒng)組成。頂板輻射供冷系統(tǒng)末端由11塊尺寸為600 mm的金屬輻射板組成，覆蓋率約為76%。金屬輻射板由保溫層、石墨板、銅管、纖維棉和鍍鋅鋼板組成。混合送風口采用尺寸為600 mm×600 mm的散流器。

圖1 測試房間Fig.1 Test room

圖2 測線布置(單位：mm)Fig.2 The measurement lines(Unit: mm)

1.2 測點布置及測試儀器

測線的布置如圖2所示，其中測線L2、L4、L5和L6測試人體附近的二氧化碳濃度、溫度和速度分布。L1、L3、L7和 L8測試室內(nèi)工作區(qū)的二氧化碳、溫度和速度分布。

表1 頂板輻射供冷+混合通風實驗工況Tab.1 The experimental operating conditions of system

實驗在高度方向上布置Swema03(精度：±0.2 ℃，±0.02 m/s)以測室內(nèi)溫度與空氣速度，測線測點高度分別為0.1、0.6、1.1、1.3、1.7、2.5 m(如圖3所示)，其中0.1 m 和2.5 m測量地面和輻射板附近的溫度和速度分布，0.6 m處的測量值作為室內(nèi)溫度參考點，該點溫度被控制在26 ℃左右。用TES1370(精度：±50 mg/kg或3%讀值)測CO2濃度，測線測點高度分別為0.9、1.1、1.3 m(如圖4所示)，用這3個高度的二氧化碳濃度來代表呼吸區(qū)的二氧化碳濃度值。在每個假人正前方1.1 m處有一個直徑為8 mm的小孔，從小孔以320 mL/min的流量釋放CO2[14]。

圖3 速度和溫度測點布置Fig.3 The measurement point of velocity and temperature

圖4 CO2測點布置Fig.4 The measurement point of CO2

1.3 測試工況

本實驗中，室內(nèi)熱源設(shè)為430 W，電熱膜設(shè)為430 W和720 W?；旌纤惋L系統(tǒng)送風溫度為22 ℃，輻射頂板溫度為17～23 ℃，通過調(diào)節(jié)混合送風量控制室內(nèi)參考溫度(ta)保持為26 ℃(具體為房間中心離地0.6 m處的空氣溫度)，送風溫度(ts)為22 ℃，如表1所示。

由表1 可知，不同圍護結(jié)構(gòu)傳熱或電熱膜功率下，外圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度變化較大。當電熱膜功率由430 W增至720 W時，外圍護結(jié)構(gòu)表面溫度由34 ℃增至40 ℃，對應(yīng)的其它圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度增大至少1 ℃。

1.4 測試參數(shù)計算公式

本文分別采用垂直溫差、空氣紊流強度及除污效率評價室內(nèi)垂直溫度、速度及污染物濃度分布，如式(1)、式(2)及式(3)所示[15-17]：

ΔTa0.1-1.1=Ta1.1-Ta0.1

(1)

式中：Ta1.1為距離地面1.1 m處測試周期內(nèi)空氣溫度的平均值，℃；Ta0.1為距離地面0.1 m處測試周期內(nèi)空氣溫度的平均值，℃。

(2)

(3)

式中：cp、cz、co分別為測試周期內(nèi)排風污染物濃度、呼吸區(qū)污染物濃度、送風污染物濃度的平均值，mg/kg。

圖5 冷負荷為83 W/m2室內(nèi)空氣溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

2 室內(nèi)空氣分布測試結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)空氣溫度測試結(jié)果與分析

圖6 冷負荷為111 W/m2室內(nèi)空氣溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

圖5和圖6所示為不同冷負荷下頂板表面溫度對室內(nèi)空氣溫度分布的影響。由圖5及圖6可知，當頂板表面溫度變化范圍分別為17～23 ℃和15～20 ℃時，室內(nèi)垂直方向1.7 m以下空氣溫度分布呈現(xiàn)正溫度梯度，1.7 m以上呈現(xiàn)負梯度分布，且在室內(nèi)頂板及地板附近空氣溫度較為發(fā)散，在工作區(qū)較為均勻。這是因為室內(nèi)空氣溫度分布受上升熱羽流、下沉冷氣流和送風射流的共同影響。在1.7 m以下，地板附近空氣主要受下降到地板附近的冷氣流影響，因此溫度較低且發(fā)散，而隨著高度上升，熱源的影響逐漸加強，溫度逐漸升高，在工作區(qū)附近的空氣受送風射流與上升的熱羽流的共同作用，使空氣更有效的擴散，溫度分布均勻。在1.7 m以上，由于冷卻頂板溫度較低及存在下降冷氣流，因此越靠近頂板空氣溫度越低，而由于送風口采用方形散流器，因此頂板附近也會受送風射流直接影響，導(dǎo)致其附近空氣溫度較為發(fā)散。

表2所示為各測點的頭部(1.1 m)和腳踝(0.1 m)處垂直空氣溫差。當頂板表面溫度變化范圍分別為17～23 ℃和15～20 ℃時，平均室內(nèi)垂直空氣溫差分別為0.2 ℃左右和0.1～0.2 ℃。由表2可知，測線L4上的垂直溫差普遍較大，這主要與測線4的位置布置有關(guān)，測線4位于假人與電腦之間，L4上1.1 m處附近的空氣受熱源影響較大，相對同高度處其他測點溫度較高，而在0.1 m處受下降到地板附近的冷氣流影響較大，其附近溫度較低，因此導(dǎo)致測線L4上垂直溫差較大。測線L3及L7上垂直溫差小，主要是其測點布置在假人后方，1.1 m附近空氣受熱源影響較小?？梢园l(fā)現(xiàn)個別出現(xiàn)負值的情況，原因可能在于1.1 m處受下降冷氣流、送風射流的影響大于熱源對其影響。即使各垂直溫差有大有小，但每個工況各測線的垂直溫差均能滿足ASHRAE 55—2013中垂直溫差<3 ℃的要求。

表2 內(nèi)垂直空氣溫差計算結(jié)果(℃)Tab.2 The computation of indoor vertical air temperature difference(℃)

2.2 室內(nèi)空氣速度測試結(jié)果與分析

圖7和圖8所示為不同冷負荷下頂板表面溫度對室內(nèi)空氣速度分布的影響。由圖7及圖8可知，當頂板表面溫度變化范圍分別為17～23 ℃和15～20 ℃時，室內(nèi)垂直方向1.7 m以下空氣速度分布呈負梯度分布，1.7 m以上呈現(xiàn)正梯度分布，在室內(nèi)工作區(qū)附近空氣速度均勻，在頂板及地板附近速度發(fā)散。這是因為在1.7 m以下，地板附近的空氣主受下降到地板附近的冷氣流影響，速度較大，而隨著高度的增加，熱羽流和送風射流起主導(dǎo)作用，空氣混合比較均勻；在1.7 m以上，下沉冷氣流及送風射流起主導(dǎo)作用，越靠近頂板，送風射流作用越明顯，空氣速度越大。

表3所示為室內(nèi)空氣紊流強度計算結(jié)果。由表3紊流強度平均值可知，室內(nèi)空氣紊流強度普遍受頂板溫度變化影響較小，平均紊流強度變化范圍分別為32%～36%及32%～38%。對比兩種負荷下的工況1～工況3和工況4～工況6可知，冷負荷變化對室內(nèi)空氣紊流強度影響較小。不同工況下熱源附近紊流強度普遍較大，主要原因是受熱羽流的干擾。

圖7 冷負荷為83 W/m2室內(nèi)空氣速度分布Fig.7 Velocity distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

圖8 冷負荷為111 W/m2室內(nèi)空氣速度分布Fig.8 Velocity distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

表3 室內(nèi)空氣紊流強度計算結(jié)果(%)Tab.3 The calculation results of indoor air turbulence intensity (%)

2.3 室內(nèi)污染物濃度測試結(jié)果與分析

圖9和圖10所示為不同冷負荷下頂板表面溫度對室內(nèi)CO2濃度分布的影響。由圖9和圖10可知，CO2沿水平方向的分布較為均勻，在工作區(qū)附近的CO2濃度較高，而在頂板及地板附近濃度較低，主要是因為假人排放的CO2主要集中在工作區(qū)，而在頂板及地板附近由于下降冷氣流與送風射流的作用濃度較低。頂板表面溫度的變化對室內(nèi)CO2濃度分布影響很小。表4所示為除污效率的計算結(jié)果。

由表4可知，在低負荷下頂板表面溫度的變化對除污效率影響較小，當頂板表面溫度由17 ℃增至23 ℃時，除污效率的變化范圍為0.76～0.84。在高負荷下，隨著頂板表面溫度由15 ℃升至20 ℃，除污效率也隨之增加，其范圍為0.62～0.86。當頂板表面溫度為15 ℃時，除污效率最低，很可能是由于強烈的下沉冷氣流及低送風量阻礙了空氣污染物的擴散，導(dǎo)致呼吸區(qū)污染物濃度較高。一方面，由于頂板表面與空氣的對流換熱產(chǎn)生的冷氣流增大，下沉至人員活動區(qū)后會阻礙污染物向上擴散；另一方面，低風量送風產(chǎn)生的慣性力較弱，如此污染物隨著空氣向上流動的動力較小，不利于污染物擴散。因此，頂板表面溫度較低或送風量較小均不利于污染物的擴散，導(dǎo)致活動區(qū)污染物濃度增加，通風系統(tǒng)除污效率減小。

表4 除污效率Tab.4 The contaminant removal effectiveness

圖9 冷負荷為83 W/m2室內(nèi)CO2濃度分布Fig.9 CO2 concentration distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

圖10 冷負荷為111 W/m2室內(nèi)CO2濃度分布Fig.10 CO2 concentration distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

3 結(jié)論

本文以混合通風與頂板輻射供冷房間為研究對象，在冷負荷分別為83 W/m2及111 W/m2條件下，通過實驗測試及實驗數(shù)據(jù)對比研究頂板輻射+混合通風供冷房間室內(nèi)空氣熱環(huán)境參數(shù)分布、紊流強度、除污效率,當輻射頂板表面溫度變化范圍為17～23 ℃及送風溫度為22 ℃時，得到如下結(jié)論：

1)室內(nèi)工作區(qū)垂直方向空氣溫度及速度分布較為均勻，在頂板及地板附近溫度分布較為發(fā)散；

2)頂板表面溫度的變化對室內(nèi)垂直空氣溫度及速度分布影響較小；

3)頂板表面溫度對室內(nèi)污染物濃度分布影響較小，但對除污效率影響較大；頂板溫度越低，送風量越小，污染物擴散條件越差，導(dǎo)致活動區(qū)污染物濃度越高，除污效率越低。

本文受中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(DUT17RC(3)086)和大連大學博士啟動專項基金(20172QL020)資助。(The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.DUT17RC(3)086) and the Doctoral Scientific Research Foundation of Dalian University (No.20172QL020).)